煤矸石基土壤改良剂改变微生物养分限制并促进沙地生态系统恢复

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Coal gangue-based soil amendments shift microbial nutrient limitation and support sandy-land ecosystem recovery

　　

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  30–60 t ha?1 的投入量实现了牧草增益与生态安全的平衡。
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  60 t ha?1 使土壤碳、氮、微生物生物量及产量达到最大化。
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  60 t ha?1 将微生物限制性从磷转向氮。
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  120 t ha?1 加强了重金属生态风险信号。
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  养分和微生物生物量驱动了资源限制性的转变。

引言

全球沙地面积超过1.76 × 10⁷ km²，对生态安全和可持续发展构成严重威胁（Huang和Hartemink, 2020）。荒漠化是中国面临的主要挑战之一，估计有1.68 × 10⁶ km²的土地退化（沙化），导致每年约3.0 × 10⁶吨的粮食生产损失，相关直接经济损失约为5.0 × 10¹⁰元人民币（Zan等, 2023）。关键在于，这些大尺度影响源于沙质土壤功能的快速衰退，其特征包括质地粗、有机质积累低以及保水保肥能力差，这些因素共同制约了生物地球化学循环。因此，养分化学计量学（C∶N∶P）严重失衡，抑制了微生物活性和养分周转，加剧了"土壤贫瘠—生物功能下降"的恶性循环（Gao等, 2025a）。这种微生物约束最终通过限制养分供应，损害植物的定殖和初级生产力，从而延缓了沙地稳定与恢复所需的土壤—微生物—植物反馈机制的重建。鉴于微生物调节着沙地生态系统中大多数的养分转化过程，阐明微生物代谢限制性的机制并制定有效策略以缓解养分约束，对于沙地的可持续利用与恢复至关重要。近年来，全球日益关注荒漠化土地的改良（Wen等, 2024）。传统的土壤改良策略，如植被恢复和添加有机物料，可通过增加外源碳输入和优化土壤结构来部分缓解微生物资源限制（Cui等, 2021）。例如，多样化植被覆盖通过促进养分互补性，可显著降低土壤微生物碳和磷的共限制效应（Weiskopf等, 2024）；而生物炭则因其稳定性和多孔结构，可改善土壤化学计量学并提高微生物资源利用效率（Liu等, 2025）。然而，大多数现有研究聚焦于自然恢复或有机物料施用，对工业固废资源化利用潜力的关注有限。特别是，煤矸石等大规模废弃物的生态修复价值仍 largely 未被探索。

煤矸石是煤炭开采过程中产生的主要固体残渣，全球年产量约为15亿吨。煤矸石富含硅酸盐、矿物质以及铁、钙等微量元素，具有较强的离子键合作用，在沙质土壤中表现出优异的团聚行为（Liu等, 2024c）。煤矸石可有效提高沙质土壤中微团聚体的比例，增强毛细作用，改善保水保肥能力，从而为微生物代谢提供有利的生境（Qin等, 2025）。此外，煤矸石的养分组成与土壤相似，而其有机质含量可高出数倍，显示出在土壤生态修复中应用的巨大潜力（Ai等, 2025; Guo等, 2025）。然而，目前的研究主要集中于利用煤矸石改善土壤理化性质，而关于调控微生物代谢限制性的酶促化学计量学机制以及重金属积累等潜在生态风险的系统的研究仍然匮乏。更重要的是，尚不清楚煤矸石基改良剂能否将微生物养分限制性的转变转化为可测量的植被增益（如生物量生产和品质），这对在生态系统尺度上评估修复成效至关重要。

为机制性量化微生物养分限制性及其与修复成效的潜在联系，土壤胞外酶活性（EEAs）及其化学计量学特征作为微生物资源需求和代谢状态的敏感代理指标，是评估土壤生态功能和健康的关键指标（Zuccarini等, 2023）。根据酶促化学计量学理论，微生物通过动态调节其胞外酶活性来平衡养分需求与供应，从而维持代谢稳态（Cui等, 2023）。酶促化学计量学向量模型已被广泛用于量化土壤生态系统中微生物的代谢限制性（Banerjee等, 2024）。外源改良剂的类型和施用量对土壤养分有效性和微生物活性具有显著影响（Li等, 2024; Sinsabaugh等, 2009）。然而，在酶促化学计量学（EES）框架下，不同施用量级的煤矸石基土壤改良剂如何调控养分限制性，进而影响沙质土壤中微生物代谢活动，仍知之甚少。

基于上述考量，我们将煤矸石基产品不仅视为沙地修复的土壤改良剂，还视为退化沙质农生态系统中循环资源利用的有机—矿物复合改良剂。我们假设煤矸石基改良剂将增加土壤碳—氮—磷的有效性及微生物生物量，从而在中等施用量下缓解微生物磷限制，并将主导微生物约束从磷向氮转变。我们进一步假设存在非线性的风险—效益响应关系，即投入不足将导致资源供应有限，而过度施用将加剧养分化学计量学失衡并加强重金属风险信号，最终抵消微生物功能和牧草生产力的提升。据此，本研究旨在：(i) 利用酶促化学计量学向量指标量化改良剂用量梯度上微生物养分限制性的转变；(ii) 将改良剂诱导的土壤养分和微生物生物量变化与羊草生产力及牧草品质联系起来；(iii) 确定一个实用且低风险的最佳施用窗口，在最大化修复效益的同时，支持退化沙质土壤生产系统中煤基固废的循环利用。

章节摘要

试验地点

我们在中国西北部黄土高原农牧交错带和沙地草地中的一个代表性风沙带进行了调查（109°45′27″E, 38°22′50″N；图1a）。该地海拔约为1100 m。土壤为第四纪冲积物发育的沙壤土，其中砂粒占31.1%、粉粒占61.7%、黏粒占7.2%。年均降水量为350–400 mm；年均温度为10.2 °C；无霜期为134–169天。气象数据来源于

煤矸石基土壤改良剂中的重金属分布及施用后的土壤理化响应

铜和铅的残渣态比例超过了平均值（52.73%），分别占79.93%和69.90%。所有金属的酸溶态、可还原态和可氧化态平均比例分别为25.45%、9.82%和11.99%（图2a）。此外，锌的不稳定形态（酸溶态、可还原态和可氧化态）显著高于其他元素，铅的残渣态（40.76 mg kg^?1）也明显高于

煤矸石基土壤改良剂的生态风险评估

近年来，煤矸石作为土壤改良剂或废水处理材料所引发的潜在环境风险，特别是在农业和可持续生态系统中的风险，已成为备受关注的重要议题（Ai等, 2023; Liu等, 2021; Ouyang等, 2022）。在我们的研究中，锌的活性态（酸溶态、可还原态和可氧化态）比例远高于其他金属，表明锌是改良土壤中生物有效性最高的重金属。同样，

结论

本研究表明，煤矸石基土壤改良剂可作为改良退化沙质农生态系统的循环利用型有机—矿物复合改良剂，前提是施用率需经精心优化。在田间改良剂用量梯度中，中等投入量重新平衡了土壤养分供应与微生物需求，缓解了微生物磷限制，并将推断的微生物约束从磷向氮转变，表明资源获取效率向更优方向转移。

CRediT作者贡献声明

艾峰：撰写—初稿，概念化。李彬彬：形式化分析。李媛媛：数据管理。曹友松：方法论。邓霄：撰写—审阅与编辑。张建乐：撰写—审阅与编辑。刘晓明：方法论。杨航：可视化。康龙飞：调查。魏宇超：数据管理。徐明翔：获取资助。李强：监督，获取资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2022YFF1300802, 2022YFF1300802-04）、国家自然科学基金（42207412, 42267071, 41907059）、陕西省科技专家专项计划人才项目（2022TZRC04）、煤基固废协同生态修复与综合利用关键技术研究（2024CY2-GJHX-39）以及陕西省科技创新引导专项的资助

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